1、數控技術課程設計 單片機CNC裝置的設計 一、CNC裝置1.1 CNC裝置的概念計算機數控（CNC）裝置是數控系統中的核心。它是借助于微機結合必要的硬件構成的裝置。現在我們統稱為CNC，即Computer Numerically Controlled system. CNC系統的核心是CNC裝置。CNC裝置實質上是一種專用計算機，它除了具有一般計算機的結構外，還有和數控機床功能有關的功能模塊結構和接口單元。CNC裝置由硬件和軟件兩大部分組成。硬件是基礎，軟件必須在硬件的支持下運行；軟件是靈魂，離開軟件，硬件便無法工作；兩者相輔相成，缺一不可。硬件的集成度、位數、運算速度、指令系統和內存容量等在

2、很大程度上決定了數控裝置的性能，然而高水平的軟件又可以彌補硬件性能的某些不足。CNC裝置在采用微處理機和微型計算機以后，它的性能和可靠性大大提高，而成本卻不斷下降，其優越的性能價格比，促進了數控機床迅速發展。1.2 CNC系統的組成CNC裝置的工作過程是在硬件的支持下，執行系統軟件的過程，數控裝置的控制功能在很大程度上取決于硬件結構。CNC裝置的硬件結構按照控制功能的復雜程度可分為單微處理機硬件結構和多微處理機硬件結構。圖所示為單微處理機硬件結構框圖，由圖可見，單微處理機硬件結構包括了微型計算機系統的基本結構：微處理器和總線、存儲器和接口等。接口包括I/O接口、串行接口、MDI/CRT接口，還

3、包括數控技術中的控制單元部件接口電路以及其他選件接口等。CNC裝置有以下部分組成：1）微處理器CPU，它是CNC裝置的核心，在CNC裝置中常用的有8位、16位、32位的微處理器。對于中、低檔的數控系統一般采用8位或16位微處理器（如M6800，Z80，MCS-51等芯片）；對于高檔的數控系統一般采用32位微處理器，如Intel80386等微處理器。2）存儲器，存儲器分為固化存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）。ROM主要用來存儲數控系統的控制軟件，RAM用來存儲用戶的零件加工程序和數據。3）輸入/輸出設備接口，這部分主要指與鍵盤、顯示器等人機對話設備的接口電路，以及數據通信接口電路。4）開關

4、量輸入/輸出接口。位置控制裝置，實現對驅動裝置進行控制的電路。二、設計任務要求及題目分析2.1設計任務要求任務：設計一個單片機CNC裝置，要求能實現CNC的基本的功能控制、位置控制、及信號處理功能，為實現要求，分析系統應擴展一定容量的RAM、EPROM、實現三軸的進給運動，一定數量的輔助動作、能輸入8個開關量信號和輸出8個開關量控制信號、一定量的按鍵及8位LED動態顯示顯示。單片機采用INTEL8031CPU, 及必要的其它外圍芯片。設計題目：ROM：16K（1）RAM：8K（4）電機及控制方式：伺服脈沖全閉環按鍵數：242.1題目分析根據該設計任務要求，CPU選用經典且經濟實用的MCS-51

5、系列單片機，本設計選用8031，擴展16KRAM，選用1片62128RAM存儲器芯片，選用4片2716芯片擴展8KEPROM，8位LED動態顯示需要兩個8位I/O端口，24個按鍵的鍵盤采用行列式鍵盤需要兩個8位I/O端口，用一片INTEL8255實現鍵盤和顯示，8個開關輸出量采用8位I/O口進行驅動，本設計采用74LS373芯片，開關量信號輸入采用74LS244實現，三個伺服電機選擇三相異步電機的三相六拍方式，需要9個I/O口，選用兩片74LS73實現。系統譯碼采用全地址譯碼法和線選法實現，用一片74LS138實現。由于是閉環控制，還需要用到ADC0809，將位置檢測的模擬信號轉換為數字信號。

6、三、原理圖繪制3.1選擇芯片及其它元器件根據題目及設計要求和設計分析，選擇如下芯片：1片8031CPU1片271284片61161片8255A4片74LS3731片74LS1381片74LS244一片ADC0809其它器件如電阻RES1-RES4、電容CAP、晶體振蕩器CRYSTAL、RESPACK4、8位7段顯示器DPY_7-SEG_DP、鍵盤SW-PB。3.2分析列出各個芯片的地址譯碼表對于RAM和I/O容量較大的系統，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，常采用全地址譯碼方法。它將低地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選線用作片選線。本設計采用了16KR

7、AM的62128芯片，其片內地址線是14根，地址總線AB上只剩下2根，74LS138譯碼器的輸入端點用3根最高位地址線，剩余的14根低位地址線可作為片內地址選線，譯碼器的8根輸出分別對應8個8K字節地址空間。但還需要擴展其他芯片， 8根片選線顯然不夠，還要將其中的一根用74LS138繼續擴展，系統的全地址譯碼表如下表所示：器件地址選擇線片內地址單元數地址編碼A15A14 *A3A2A1A02712800XX XXXX XXXX XXXX16K0000H3FFFH6116（1）0000 0XXX XXXX XXXX2K0000H07FFH6116（2）0000 1XXX XXXX XXXX2K0

8、800H0FFFH6216（3）0001 0XXX XXXX XXXX2K1000H17FFH6116（4）0001 1XXX XXXX XXXX2K1800H1FFFH8255A0011 1111 1111 11XX49FFCH9FFFH74LS373(開關量輸出)1101 1111 1111 11111DFFFH74LS244(開關量輸入)1110 0111 1111 11111E7FFH74LS373(XY軸驅動)1110 1111 1111 11111EFFFH74LS373(Z軸驅動)1111 0111 1111 11111F7FFHADC08091111 1111 1111 1XX

9、X8FFF8HFFFFH3.3原理圖繪制過程1.設置電路圖紙參數及相關信息:用戶根據電路圖的復雜程度設置所用圖紙的格式、尺寸、方向等參數以及與設計有關的信息，為以后的設計工作建立一個合適的工作平面。2、裝入所需要的元件庫:將包含有用戶所需元件庫裝入設計系統中，以便用戶從中查找和選定所需的元器件。3、放置元件:將用戶選定的元件放置到已建立好的工作平面上，并對元件平面上的位置進行調整，對元件的序號、封裝形式、顯示狀態等進行定義和設置。以便為下一步的布線工作打好基礎。4、電路圖布線: 該過程實際上是利用Protel 99所提供的各種工具、命令進行畫圖工作，將事先放置好的元器件用具有電氣意義的導線、網

10、絡標號等連接起來，使各元件之間具有用戶所設計的電氣連接關系。布線結束后，一張完整的電路原理圖才算是基本完成。5、調整、檢查和修改: 在該過程中，用戶利用Protel 99所提供的各種工具對前面所繪制的原理圖做進一步的調整和修改，以保證原理圖的正確和美觀。6、補充完善: 該過程主要是對原理圖做一些相應的說明、標注修飾，以增加可讀性可視性。7、生成網絡表：網絡表是原理圖與印制電路板之間的一座橋梁，是印刷電路板自動布線的靈魂。它可以在原理圖編輯期中直接由原理圖文件生成。利用原理圖生成網絡表，一方面可以用來進行印制電路板的自動布線及模擬電路，另一方面也可以用來與最后布好線的印制電路板中導出的網絡表進行

11、比較、校對。生成網絡表后對網絡表進行重新排版以便打印。8、保存和打印輸出: 這部分工作主要是對設計完成的原理圖進行保存、包括存盤、打印輸出等，以供在以后的工作中使用。3.4關鍵部分繪制3.4.1存儲器的擴展選用1片27128芯片擴展16KEPROM；擴展8KRAM，選用4片6116RAM存儲器芯片。接線圖如下：3.4.2 LED顯示器及按鍵部分繪制將LED顯示編輯器一個陰極管腳，每個LED顯示器分別與每列開關共陰極，接到8255芯片的8個端口。而所有的LED顯示器的8個片選線并聯在一起接到PB口，開關的另一端并聯接到pc口。具體接線方式如下圖所示。3.4.3 X、Y、Z三軸電機接線方式采用兩片74LS373，由于每個電機需要3個脈沖，總共需要9個I/O端口，在74LS373與電機之間還需要率放大器，才